Elaboration et caractérisation du matériau d’électrolyte pour pile à combustible à conduction protonique : BaCe(0,9-x)ZrxY0,1 O3-delta

par Sandrine Ricote

Thèse de doctorat en Sciences. Chimie - Physique

Sous la direction de Gilles Caboche.

Soutenue en 2008

à Dijon .


  • Résumé

    Le composé BaCe(0,9-x)ZrxY0,1 O3-delta (x=0 ; 0,3 ; 0,7 et 0,9) est étudié en tant que matériau d’électrolyte de pile à combustible à conduction protonique (PCFC). Des pastilles denses ont été fabriquées à partir de poudres synthétisées par chamottage, puis frittées à 1700°C. Elles ont été caractérisées chimiquement par ICP AES, morphologiquement par MEB, structuralement par DRX et Raman et mécaniquement par dilatométrie. L’insertion de protons après traitement sous atmosphère humide a été mise en évidence par profilométrie SIMS, XPS et DRX. La quantification des défauts protoniques entre 400°C et 600°C par mesure de la prise en eau a montré l’augmentation de la concentration protonique avec le taux de cérium et lorsque la température diminue. Grâce à des mesures en courant continu sous atmosphère humide, la conductivité totale a été décomposée en deux termes : une contribution de « type p » aux fortes pressions partielles en oxygène et une contribution ionique. L’étude de l’effet isotopique a révélé une contribution protonique significative à 500°C et 600°C. Lorsque le taux de cérium augmente, l’énergie d’activation, déterminée d’après les courbes d’Arrhenius obtenues par spectroscopie d’impédance, augmente et la résistivité des joints de grains par rapport au volume diminue. Une optimisation du procédé de mise en forme et de contrôle de la microstructure permettrait l’amélioration de ces résultats déjà prometteurs. Des tests de frittage par Spark Plasma Sintering (SPS) ont été réalisés sur des échantillons sans cérium, lesquels présentent des valeurs de conductivité plus importantes que les échantillons frittés conventionnellement.

  • Titre traduit

    Synthesis and characterization of the electrolyte material for a protonic ceramic fuel cell : BaCe(0,9-x)ZrxY0,1 O3-delta


  • Résumé

    BaCe(0. 9-x)ZrxY0. 1 O3-delta (x=0, 0. 3, 0. 7 et 0. 9) compounds have been studied as electrolyte material for protonic ceramic fuel cell (PCFC). The powders were synthesized by a solid state reaction, and sintered to form dense pellets at 1700°C. Chemical, morphological, structural and mechanical characterizations were performed on the samples, using respectively ICP AES, SEM, XRD, Raman and dilatometry. SIMS, XPS and XRD studies showed the insertion of protonic species in the samples, when treated in a moisturized atmosphere. Water uptake experiments provided quantification of the proton content between 400°C and 600°C: the protonic concentration increases with increasing cerium content and with decreasing temperature. The DC conductivity measured in wet atmosphere can be expressed as the sum of a p-type component, prominent at high oxygen partial pressure, and an ionic contribution. A study of the conductivity isotope effect revealed a significant protonic conductivity at 500°C and 600°C. When the cerium content increases, the activation energy, determined with the Arrhenius plots of the conductivity, increases and the resistivity of grain boundaries decreases compared to that of the bulk. An optimisation of the fabrication process and the control of the microstructure would improve these promising results. Spark Plasma Sintering (SPS) experiments have been performed on BaZr0. 9Y0. 1O3-delta samples, which exhibit higher conductivity values than the conventional sintered samples.

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Informations

  • Détails : 1 vol.(195 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 191-195, [134] réf.

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  • Bibliothèque : Université de Bourgogne. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TDDIJON/2008/67
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